Chẩn đoán dầm cầu bằng phương pháp phân tích dao động trên mô hình số hoá kết cấu được cập nhật sử dụng thuật toán tối ưu hoá bầy đàn kết hợp mạng nơ ron nhân tạo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI - - HỒ KHẮC HẠNH CHẨN ĐOÁN DẦM CẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG TRÊN MƠ HÌNH SỐ HỐ KẾT CẤU ĐƯỢC CẬP NHẬT SỬ DỤNG THUẬT TOÁN TỐI ƯU HOÁ BẦY ĐÀN KẾT HỢP MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI  HỒ KHẮC HẠNH CHẨN ĐOÁN DẦM CẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG TRÊN MƠ HÌNH SỐ HỐ KẾT CẤU ĐƯỢC CẬP NHẬT SỬ DỤNG THUẬT TOÁN TỐI ƯU HOÁ BẦY ĐÀN KẾT HỢP MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO Chuyên ngành : Kỹ thuật Xây dựng Cầu - Hầm Mã số : 9580205 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Bùi Tiến Thành PGS.TS Ngô Văn Minh HÀ NỘI – 2021 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập riêng Các số liệu sử dụng phân tích luận án có nguồn gốc rõ ràng, công bố theo quy định Các kết nghiên cứu luận án tơi tự tìm hiểu, phân tích cách trung thực Việc tham khảo nguồn tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2021 Tác giả Hồ Khắc Hạnh MỞ ĐẦU Đặt vấn đề nghiên cứu Trong trình khai thác, có nhiều nguyên nhân gây hư hỏng làm ảnh hưởng đến chất lượng khai thác công trình cầu tác động tự nhiên (bão lũ, động đất) tác động người xe q tải, va xơ, Ngồi ra, cơng trình cầu cịn có hình thái dao động riêng, gây rung động khuếch đại tần số dao động riêng kết cấu trùng khớp với tần số phương tiện di chuyển (cộng hưởng học) làm cho kết cấu cơng trình bị hư hỏng Ở mức độ thấp hơn, trạng thái ứng suất kết cấu thay đổi liên tục dao động tác dụng tải trọng nặng, lặp dẫn đến phá hoại mỏi.Việc hư hỏng cơng trình giao thơng khơng làm ảnh hưởng đến kinh tế mà gây an toàn cho người phương tiện tham gia giao thơng Vì vậy, năm gần đây, hệ thống đánh giá sức khỏe kết cấu cơng trình (SHM - Structural Health Monitoring) triển khai rộng rãi nhận nhiều quan tâm nhà nghiên cứu lĩnh vực xây dựng cơng trình giới Nhiệm vụ hệ thống đánh giá sức khỏe kết cấu cơng trình quan trắc để phát sớm hư hỏng dựa liệu đo đạc phân tích đánh giá mức độ nghiêm trọng hư hỏng trước đưa định sửa chữa Trong giải pháp giám sát sức khỏe kết cấu, giải pháp sử dụng phương pháp không phá huỷ trở thành hướng nghiên cứu nhận quan tâm nhiều nhà khoa học giới [1-5] Ưu điểm phương pháp xác định thơng số có tính bất định (uncertainty) kết cấu bao gồm điều kiện biên, đặc tính vật liệu, hay đặc trưng hình học thay đổi theo thời gian tác dụng tải trọng khai thác môi trường, Hơn phương pháp theo dõi sức khỏe kết cấu khơng phá hủy phát hư hỏng nằm kết cấu mà không làm thay đổi tính chất vật lý ban đầu kết cấu [6-1010] Tuy nhiên, thay đổi tham số kết cấu nhiều không rõ ràng, đặc biệt với hư hỏng nằm kết cấu Ngoài ra, liệu thu thường bị ảnh hưởng nhiễu, làm giảm độ xác kết Do đó, mục tiêu đề tài phát triển giải pháp hiệu quả, chi phí thấp để theo dõi tình trạng sức khỏe giúp phát sớm hư hỏng kết cấu Hiện có hai phương pháp để theo dõi tình trạng sức khỏe kết cấu phương pháp tĩnh phương pháp động Trong phương pháp tĩnh dựa phân tích đáp ứng (ứng suất, biến dạng chuyển vị) kết cấu tác dụng tải trọng đặt tĩnh, phương pháp động dựa việc xác định phân tích đặc trưng động học tần số dao động tự nhiên (natural frequencies), dạng dao động (mode shapes) và/hoặc hệ số cản (damping ratio) để đánh giá Trong hai phương pháp trên, đặc trưng động học kết cấu (đặc biệt dạng dao động) phụ thuộc vào phân bố độ cứng khối lượng nó, nên dựa vào đặc trưng động học giúp xác định vị trí có khả xuất hư hỏng kết cấu Quá trình đo đạc xác định đặc trưng động học kết cấu gọi trình đo nhận dạng dao động Quá trình cần thiết để xây dựng mơ hình phân tích số đáng tin cậy dùng để đánh giá tình trạng sức khỏe cơng trình Trong q trình này, phép đo thực kích động cưỡng kích động tự nhiên Kích động cưỡng thực cách dùng lực kích thích nhân tạo (ví dụ loại máy rung) Kích động cưỡng thích hợp cho kết cấu nhỏ, đặc biệt kết cấu phịng thí nghiệm Kích động tự nhiên tạo gió, vi chấn, hay xung kích phương tiện giao thơng Kích động tự nhiên phù hợp với cơng trình lớn, đặc biệt cơng trình cầu u cầu chi phí thấp q trình kích động không cản trở lưu thông phương tiện giao thông cầu Những năm gần đây, việc theo dõi sức khỏe kết cấu cơng trình nhận quan tâm đặc biệt nhà khoa học Trong việc ứng dụng phương pháp học máy (Machine learning – ML) để hồn thiện quy trình đánh giá sức khỏe kết cấu cơng trình dựa phân tích động cho thấy hiệu tiềm [11-17] Một đặc tính bật ML khả học từ kinh nghiệm, tự cải thiện hiệu suất mạng Do đó, mạng đào tạo sử dụng để phân loại kiểm tra liệu tương tự đặc điểm liệu đào tạo Một phương pháp học máy mạng nơ ron nhân tạo (ANN), chương trình máy tính lấy cảm hứng từ hệ nơ ron sinh học thiết kế để mô theo cách mà não người xử lý thông tin ANN thu thập kiến thức cách phát mẫu mối quan hệ liệu thông qua học tập từ kinh nghiệm, khơng phải từ lập trình ML ứng dụng để giải nhiều vấn đề kỹ thuật phức tạp, bao gồm nhận dạng, phân loại, hệ thống kiểm soát xử lý hình ảnh, Tuy nhiên áp dụng thuật toán truyền ngược dựa độ dốc giảm dần, nhược điểm lớn ML, mạng bị rơi vào tối ưu cục tạo bề mặt phức tạp với nhiều điểm tối ưu cục bộ, từ làm giảm độ xác hiệu ML Để khắc phục nhược điểm này, phương pháp tối ưu tiến hóa áp dụng Tối ưu tiến hóa phương pháp tối ưu toàn cục (global optimization – GO) cho phép xác định kết tối ưu tổng thể tránh vùng tối ưu cục Các thuật toán tối ưu tiến hóa phổ biến kể đến là: thuật toán di truyền (Genetic Algorithm – GA) [18-19], thuật tốn tối ưu hóa bầy đàn (Particle Swarm Optimization – PSO) [20], hay thuật tốn tối ưu hóa tìm kiếm chim Cúc cu (Cuckoo Search - CS) Những phương pháp tối ưu tiến hóa làm việc dựa nguyên lý ứng xử sinh vật tự nhiên q trình tiến hóa, có khả tìm kiếm tối ưu tồn cục dựa phương pháp tìm kiếm ngẫu nhiên Vì việc kết hợp thuật tốn tối ưu tiến hóa với ML đem lại tiềm để khắc phục nhược điểm (tối ưu cục bộ) phương pháp học máy, cải thiện độ xác kết thu Ở Việt Nam, thuật tốn tối ưu tiến hóa ML áp dụng nhiều lĩnh vực toán học, tin học, điện tử đem lại hiệu xác định tối ưu vùng phủ sóng, hay tối ưu quy hoạch mạng [2121-22],…Tuy nhiên việc áp dụng phương pháp lĩnh vực giám sát sức khỏe kết cấu Việt Nam Việc đánh giá sức khỏe kết cấu cơng trình cầu chủ yếu thực thông qua công tác thử tải, dựa vào đáp ứng tĩnh kết cấu tác dụng tải trọng thử phải thực điều kiện cấm lưu thông phương tiện giao thơng cầu Ngồi ra, phép thử tải khơng thể thực cách thường xuyên mà thực sau khoảng thời gian định; cung cấp hình ảnh trạng thái sức khỏe kết cấu cơng trình thời điểm cụ thể, khơng đưa dự báo tình trạng sức khỏe kết cấu tương lai Phương pháp đánh giá động, với ưu điểm: không thay đổi tính chất vật lý ban đầu kết cấu, dễ áp dụng, kết có độ tin cậy cao, khơng gây cản trở lưu thơng cầu có khả thực thường xuyên, liên tục phương pháp phù hợp hơn, đặc biệt cho cơng trình cầu lớn có kết cấu phức tạp Gần đây, việc theo dõi sức khỏe kết cấu thông qua đặc trưng dao động đo đạc trường bắt đầu thực Một số cầu lớn Mỹ Thuận, Bãi Cháy, hay Kiền lắp đặt thiết bị theo dõi thường xuyên sức khỏe kết cấu Về nguyên tắc thiết bị cung cấp liệu đáp ứng động kết cấu gia tốc, vận tốc, chuyển vị động số vị trí Các số liệu xác định đặc trưng dao động (tần số dao động tự nhiên, dạng dao động, hệ số cản) cơng trình Các đặc trưng dao động thực đo “chuẩn” để điều chỉnh từ xác định thông số bất định kết cấu điều kiện biên, độ cứng, khối lượng, mô hình tính tốn Mơ hình tính tốn sau cập nhật chuẩn để đánh giá khả chịu lực chẩn đoán hư hỏng (nếu có) cơng trình Nội dung có tính cốt lõi quy trình phân tích, đánh giá kết cấu dựa kết đo đạc xác định đặc trưng dao động thuật toán giúp cập nhật hồn thiện cách tự động mơ hình tính tốn kết cấu từ kết đo đạc trường Như phân tích, việc ứng dụng thuật tốn học máy vào việc cập nhật mơ hình tốn hứa hẹn giải pháp tốt để hoàn thiện quy trình đánh giá động kết cấu cơng trình cầu, nghiên cứu sinh định lựa chọn đề tài: “Chẩn đoán dầm cầu phương pháp phân tích dao động mơ hình số hố kết cấu cập nhật sử dụng thuật toán tối ưu hoá bầy đàn kết hợp mạng nơ ron nhân tạo” làm chủ đề nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu toán chẩn đoán hư hỏng kết cấu dựa đặc trưng dao động - Đề xuất thuật toán kết hợp mạng nơ ron nhân tạo (Artificial Neural Network – ANN) thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (PSO) cập nhật mơ hình số hóa kết cấu theo đặc trưng động học để cập nhật xác mơ hình kết cấu áp dụng cho toán chẩn đoán kết cấu - Xây dựng chương trình cập nhật mơ hình kết cấu theo thuật toán đề xuất cho kết cấu dầm Mở rộng áp dụng với dạng kết cấu khác kết cấu dàn kết cấu (bản) - Thực tham khảo thí nghiệm đo dao động kết cấu phịng thí nghiệm cơng trình cầu thực tế, sau áp dụng phương pháp đề xuất để cập nhật mơ chẩn đoán hư hỏng kết cấu Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp tổng hợp phân tích lý thuyết; - Phương pháp số; - Phương pháp phân tích số kết hợp với thực nghiệm - Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đặc trưng động học kết cấu cơng trình cầu: thơng số đặc trưng dao động tần số dao động, mode dao động, hệ số giảm chấn; - Mơ hình số hóa kết cấu cầu: Thực mô kết cấu cầu phần mềm Matlab theo phương pháp phần tử hữu hạn; - Các phương pháp tối ưu tiến hóa ANN: Phát triển, mở rộng ứng dụng thuật toán tối ưu vào nội dung nghiên cứu đề tài Qua đó, đề xuất thuật tốn kết hợp mới; - Chẩn đốn vị trí hư hỏng kết cấu: Phục vụ nội dung giám sát sức khỏe kết cấu cơng trình giao thơng - Ý nghĩa khoa học thực tiễn Áp dụng phương pháp tối ưu tiến hóa phương pháp ANN việc cập nhật mơ hình số hóa kết cấu chẩn đốn hư hỏng kết cấu - Đề xuất thuật toán kết hợp thuật tốn tối ưu tiến hóa với phương pháp ANN để khắc phục nhược điểm phương pháp riêng rẽ, từ tăng độ xác kết quả, giảm thời gian tính tốn, áp dụng để giám sát sức khỏe kết cấu - Tạo sở liệu cơng trình dạng hồ sơ lưu trữ giúp giám sát sức khoẻ cơng trình - Xây dựng chương trình cập nhật nhật mơ hình số hóa kết cấu phục vụ chẩn đốn kết cấu cầu thông thường dầm, dàn (bản) - Kết luận án sử dụng làm tài liệu tham khảo hữu ích cho lĩnh vực giám sát sức khoẻ cơng trình 6 Nội dung luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận kiến nghị, luận án bao gồm nội dung sau: Chương - Tổng quan giám sát sức khỏe kết cấu cơng trình dựa phương pháp đo nhận dạng dao động Chương giới thiệu tổng quan giám sát sức khỏe kết cấu cơng trình dựa phương pháp nhận dạng dao động, tình hình nghiên cứu giám sát sức khỏe kết cấu cơng trình dựa phương pháp nhận dạng dao động giới Việt Nam Chương - Nghiên cứu lý thuyết phương pháp nhận dạng kết cấu phương pháp đo dao động ngẫu nhiên Chương giới thiệu sở lý thuyết dao động kết cấu phương pháp dựa vào dao động kết cấu để chẩn đoán hư hỏng kết cấu bao gồm phương pháp dựa thay đổi tần số dao động riêng, phương pháp dựa vào thay đổi hình dạng dao động, phương pháp dựa hàm phản ứng tần số phương pháp dựa thay đổi tần số dao động riêng kết hợp với PSO ANN Trong chương này, nguyên lý sử dụng, ưu nhược điểm phương pháp phân tích chi tiết, nêu rõ tầm quan trọng ưu điểm vượt trội phương pháp đề xuất vấn đề giám sát sức khỏe kết cấu cơng trình Chương - Áp dụng thuật tốn tối ưu tiến hóa phương pháp mạng nơ ron nhân tạo để chẩn đoán hư hỏng cho mơ hình số Chương giới thiệu số cách tiếp cận để chẩn đoán hư hỏng kết cấu cách giải mô hình số Trong thuật tốn áp dụng, thuật toán PSO, ANN thuật toán đề xuất NCS, sử dụng thuật tốn PSO làm việc song song với ANN, từ khắc phục vấn đề tối ưu cục phương pháp ANN, tăng độ xác kết quả, giảm thời gian tính toán đáng kể so với thuật toán PSO, áp dụng để giám sát sức khỏe kết cấu công trình Chương - Áp dụng thuật tốn tối ưu tiến hóa phương pháp mạng nơ ron nhân tạo để chẩn đốn hư hỏng mơ hình thực nghiệm Chương áp dụng phương pháp đề xuất (phương pháp ANN làm việc song song với thuật toán PSO) để chẩn đoán hư hỏng cho dầm giản đơn phịng thí nghiệm cầu cũ nhịp giản đơn Để so sánh với thuật toán đề xuất, phương pháp ANN riêng rẽ thuật tốn PSO áp dụng Ngồi ra, luận án cung cấp code NCS xây dựng dựa tảng ® chương trình MATLAB (MathWorks ), để xác định đặc trưng động học (tần số dao động riêng, hình dạng dao động) kết cấu, code thuật toán PSO phương pháp ANN, phương pháp ANN làm việc song song với thuật toán PSO dùng để giám sát sức khỏe kết cấu cơng trình ... trình cầu, nghiên cứu sinh định lựa chọn đề tài: ? ?Chẩn đoán dầm cầu phương pháp phân tích dao động mơ hình số hoá kết cấu cập nhật sử dụng thuật toán tối ưu hoá bầy đàn kết hợp mạng nơ ron nhân tạo? ??... ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI  HỒ KHẮC HẠNH CHẨN ĐỐN DẦM CẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG TRÊN MƠ HÌNH SỐ HỐ KẾT CẤU ĐƯỢC CẬP NHẬT SỬ DỤNG THUẬT TOÁN TỐI ƯU HOÁ... toán chẩn đoán hư hỏng kết cấu dựa đặc trưng dao động - Đề xuất thuật toán kết hợp mạng nơ ron nhân tạo (Artificial Neural Network – ANN) thuật tốn tối ưu hóa bầy đàn (PSO) cập nhật mơ hình số